[发明专利]一种电催化合成氨的有机电解液及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种电催化合成氨的有机电解液及其制备方法与应用，所述制备方法包括以下步骤：（1）将二甲基亚砜与氢氧化钠混合，纯化，得混合溶液；（2）向步骤（1）得到的混合溶液中加入去离子水，混合均匀，得有机电解液。本发明所提供的有机电解液具有良好溶氮能力，解决了电催化合成氨中电解液中氮气溶解率较低的问题；所述制备方法对二甲基亚砜进行减压蒸馏的纯化，得到零污染的电催化合成氨电解液；该有机电解液在电催化合成氨中的应用，采用二氧化钛为阴极，二氧化钛是由商业钛片经电化学沉积刻蚀和有氧热处理而得到，具有较大的比表面积，解决了催化剂表面优先吸附氢原子而导致的析氢竞争反应占主导的问题。

技术领域

本发明涉及电化学合成氨应用领域，更具体地，涉及一种电催化合成氨的有机电解液及其制备方法与应用。

背景技术

氨作为氮肥对维持世界人口增长做出的巨大贡献，其在国防、医药、工业上也都扮演着举足轻重的角色。由于氨很容易在轻压力和低温下液化，易于存储、运输和使用，还能被输送到发电厂产生无碳电力。更值得注意的是，氨可以很容易地转化成氮气和氢气，因此是极为理想的储氢载体，可以为燃料电池汽车提供动力。在未来，人们对于氨的需求量将越来越大。目前唯一具有工业规模的合成固氮方法是德国化学家Haber和Bosch在20世纪初开发的气相合成氨。它要在高温（430～480℃）高压（15～30 MPa）下通过铁基催化剂将高纯氮气和氢气进行催化反应生成氨，即使如此，合成氨的单程转化率也仅能达到10%～15%。这个过程需要大约世界上总能量消耗的1%，原料中的高纯氢气绝大多数是通过天然气的蒸汽重组得到的，会产生大量的温室气体，破坏环境。尽管氨工业已经实现和新型煤化工、制氢技术等工业技术联产，然而并未改变其高耗能的现状。因此，发展一种绿色可持续合成氨的方法至关重要。在大自然中，氮气的固定是存在于在固氮酶作用下的自然过程。然而，自然过程的超低反应速率以及不可控性严重限制了其工业应用。如果可以使用目前蓬勃发展的可再生能源——风能和太阳能所产生的电能为驱动力，代替固氮酶和ATP，提供充足的电子，利用空气中的氮气和来源广泛的水制备氨，毫无疑问将成为氨这种“无碳”燃料未来的发展方向。使用电催化氮还原相对于使用Haber-Bosch法不仅可以节省20%以上的能耗，达到零二氧化碳排放，而且它还可以实现按需就地生产氨。然而，由于极为稳定的氮氮三键，并且存在严重的析氢竞争反应，目前电化学合成氨的电流效率非常低（远低于1%），通过提高催化剂本身活性以及使用合适的策略适当的抑制析氢竞争反应，有可能使电化学合成氨的电流密度、电流效率和氨产率大幅度提高，这将是电化学合成氨未来研究的重要方向。到目前为止，经过实验和理论两方面来筛选具有不同组成和结构的催化剂，一系列的催化剂已经被制作用来常压下合成氨。目前的研究者们主要针对三种类型的催化剂，如贵金属、非贵金属以及非金属及其衍生物等进行探索。最具氮还原潜力的贵金属基催化剂由于其本身相对较高的活性，在电化学氮还原中具有广阔的应用前景，但造成的成本负荷将是其大规模生产的最大阻碍。

氮气十分稳固的氮氮三键赋予了它极其稳定的化学性质，并且水溶液电解质的溶氮量极低。目前为止，电催化合成氨领域亟待解决的关键性问题即惰性氮气分子的活化以及竞争析氢反应压倒性的选择性导致的氨产率和法拉第效率低下。在这里，经设计的有机电解液体系所具备的更易结合的氮原子形式以及抑制氢析出反应特性将可作为一个有利条件来提升其电化学氨合成的产率及效率，为解决目前电催化氨合成的关键问题提供可供参考的方法。此外，该体系所用原材料成本低廉、稳定、高效等且该体系具有低能耗、方法简单、易操作等优点，具有放大生产的潜力。本发明所设计体系和方法为高选择性的电化学氨合成的实现打下了坚实的理论和实践基础。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种电催化合成氨的有机电解液及其制备方法与应用。

本发明的目的至少通过以下技术方案之一实现的。

本发明提供了一种电催化合成氨的有机电解液的制备方法，包括如下步骤：

（1）将二甲基亚砜与氢氧化钠混合，纯化，得混合溶液；